Saturday, November 26, 2016

馬達效率提升方案

馬達效率一直視這幾年開發上重要的議題,一樣的輸入電量客戶總希望能夠得到較高的輸出。然而,馬達的輸出功率根據客戶需求無法變更,故一般在進行效率提升方式主要為降低馬達運轉的損失。

以下藉由降低各種損失為觀點,整理開發上常用於提升效率的手法


一次銅損
電流流經定子線圈所產生之損失,主要為導線電阻所致。

電徑加粗,電阻降低,但滿槽率增加,可能導致入線難度增加。
定轉子間氣隙縮小,磁阻降低,激磁電流降低,功因提高,運轉電流降低。但氣隙小考慮定轉子表面之加工能力。
使用導磁性較好之矽鋼片,降低磁阻,運轉電流降低。
降低磁通密度,避免導磁能力因磁通密度飽和驟降。但可能造成轉矩較低。


二次銅損 
轉子之感應電流與電阻造成之損失,永磁馬達無此項目,故較感應馬達易達到高效率。

使用導電率較高之壓鑄銅轉子,但成本較高,熔電高導致作業難度較高。
改變槽型,增加轉子槽面積,增加鋁用量,降低轉子電阻。
增加轉子端環短路環面積,降低轉子電阻。
改變電工繞線設計,提高馬達磁通量,轉子滑差減少,降低轉子感應電流。


鐵損 
磁力線通過矽鋼片產生渦流損以及磁滯損。

使用導磁性較好之矽鋼片。
降低定子鐵心磁通密度,渦流損及磁滯損皆與磁通密度的平方成正比。
使用較薄之矽鋼片,減少渦流損。高頻時,渦流損大幅增加。
矽鋼片熱處理,750~800度熱處理兩小時,將增大晶粒,以降低磁滯損。


機械損 
摩擦震動等因零件運動所產生的力學損失。

使用潤滑效果較佳之軸承。
增加零件加工精度。
提高風扇效率,或者使用單轉向風扇。


雜散損 
其餘無法精確定義的損失。

增加轉子表面加工精度,避免轉子表面損。
提高矽鋼片品質,如雜質降低,晶粒組織調整,減少沖片毛頭。
改善電工繞線方式及繞線匝數,避免5級,7級等諧波。
槽對數,槽型尺寸,磁路,轉子斜槽改善。



Saturday, November 12, 2016

AC馬達變速方法

三相感應電動機不需要如直流馬達之電刷,結構較單純可靠維護容易,卻也無法如同直流馬達能輕易透過電壓電流的調整進行控速。三相感應電動機發展歷史上總花費鉅大的心力在尋求更好的變速方法

VS馬達
又稱為渦流馬達或益動馬達,英文稱為eddy current motor,傳統三相交流感應馬達因為無法如同直流馬達透過電壓控制轉速,因此過去若有控速需求則常在馬達前端加裝耦合機進行控速。 但耦合機體積過大,重量重,故逐漸被使用變頻器之馬達取代。


變頻器
使用時輸入交流電,透過整流器轉換為直流電。並利用PWM的方式輸出交流電壓。
        
V/f純量控制:輸出電壓和輸出頻率成正比,適用在定轉矩的負載中

向量控制(磁場導向控制):利用調整變頻器的輸出頻率、輸出電壓的大小及角度,來控制馬達的輸出。其特性是可以個別控制馬達的的磁場及轉矩。由於處理時會將三相輸出電流及電壓以向量來表示,因此稱為向量控制。

直接轉矩控制:依量測到的馬達電壓及電流,去計算馬達磁通和轉矩的估測值,而在控制轉矩後,也可以控制馬達的速度不過變頻器驅動感應馬達時,其電壓應力也會提高,因此一般會建議選用為變頻器驅動而設計的變頻馬達。


AC馬達啟動方法

三相感應電動機,因負載特性在啟動時會產生極大的電流,為了防止在啟動時會產生過大的電流,一般馬達皆使用下列幾項啟動法:


1.直接啟動法direct on line,簡稱DOL:直接啟動,不搭配任何儀器及手法,僅適用於五馬力以下之小馬達。若馬達啟動的高突入電流不會造成電源的過多電壓下降,此時就會使用在線直接起動的啟動器。

2.電抗降壓啟動法:利用串聯電抗器降低啟動電壓,進而降低啟動電流。

3.補償器啟動法:使用補償器降降低啟動電壓,進而降低啟動電流。

4.繞線式感應電動機啟動法:僅適用於繞線型馬達,於轉部搭配可變電阻,以抑制過大的電流產生。

5.Y-delta 降壓啟動法:透過外部配電控制系統,於啟動時採用電壓及電流皆較小的Y接,等啟動完成後再改用delta接以達到運轉功率。此為最常使用之啟動法。


Y-delta 降壓啟動法範例
1. Q1為主電路開關,Q2為控制電路開關,兩者並聯連接。

2.按下PB2後,KM1KM2分別投入,馬達以Y接型式啟動。KM1KM2成自保持狀態。

3. KM2計時到延遲b接點斷開,KM1跳脫。延遲a閉合,KM3投入,以delta接運轉。


4.按下PB1KM1KM2KM3皆跳脫。



Friday, November 11, 2016

當今產業重點發展馬達

步進馬達
數直流無刷馬達,定轉子具有突起的小齒,可藉由電流及齒部設計之步進角。透過開迴路的方式,以對應之脈波訊號控制其慾旋轉之角度。開迴路控制不需要感測器或編碼器,但因沒有回授裝置,遇到負載變化過大時可能造成失步的問題。


伺服馬達
透過回授裝置,精確控制馬達轉速或位置,使其與目標值不因外在因素變動而受影響。

1.     伺服控制器會利用位置回授進行閉迴路的控制,一般常用旋轉編碼器、解角器及霍爾效應傳器來直接量測轉子的位置。

2.     量測未激磁的線圈的反電動勢來偵測轉子位置,或是偵測當線圈電源突然關閉時產生的突波電壓,這些稱為無感測器(sensorless)的控制方式。

直流:轉子慣性較小,機體較細長,線性反應佳並易於控制,受到廣泛使用。
交流:使用永磁同步馬達或三相感應馬達,必須搭配變頻器才能精確控速。

永磁同步馬達(PMSM):轉子以永久磁鐵代替繞線。
表面式永磁馬達(SPM):磁鐵與空氣之導磁率相近,故定轉子氣隙較寬,凸極效應較小,電樞效應弱,電感小。
內藏式永磁馬達(IPM):較無高速運轉脫落之問題,磁鐵與內部因導磁率遠低於矽鋼片導致轉子和定子間的氣隙會有周期性的變化,造成凸極效應,其磁組轉矩成分使效率較高。


磁組馬達 
透過轉子磁阻不均產生之轉矩運作,磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合,因此鐵心在移動到最小磁阻位置時,其主軸線必與磁場的軸線重合。


開關磁阻馬達(SRM):又稱切換式磁阻馬達,繞組於定子上,故不需電刷,轉子亦不需磁鐵,結構簡單成本低,但會有轉矩濓波(轉矩不均)的問題。


Saturday, October 22, 2016

三相交流馬達負載曲線及特性

三相感應電動機因啟動時造成的高電流及轉矩不穩定的現象,為使用者選擇馬達重要的指標負載曲線為馬達電機特性的重要指標,判斷此馬達是否能負荷客戶端需求,根據轉矩與電流關係是否能順利啟動。從靜止至額定轉速的過程如下:

1.      堵住:馬達送電,轉子靜止時。主要源自於抵抗慣性矩,可能來自於馬達本身也可能來自於負載,分別對應兩個重要參數:LRC(Locked Rotor Current)以及LRT(Locked Rotor Toque),堵住時的轉矩約為額定的1.5倍。電流則可能高達5~6倍,故啟動時一般會使用其他方法讓電流下降,馬達也會採用保護裝置跳脫以防止處於堵轉狀態。

2.      在轉子突破慣性矩開始轉動後,轉矩會瞬間下降直到低點,此低點稱為Pull up torque。電流方面則緩慢下降。

3.      在過了Pull up torque後,馬達持續加速,轉矩也隨著加速逐漸升高,直到達到Breakdown (Pull out) toque,此為整個加速過程中最高的轉矩點。電流方面依然緩慢下降。

4.      過了Breakdown (Pull out) toque後,轉矩便開始下降,直到降到額定轉矩:FLC-Full Load Current
FLT-Full Load Toque,此為一般馬達的操作點。轉速方面並未達到同步轉速,與旋轉磁場間存在約10%以內的滑差。此區的電流大幅下降,馬達因此可以長時間運轉。

5.      若轉速達到同步轉速,轉子與旋轉磁場則不再有滑差,不再產生轉矩。轉矩與電流皆為零,無法使用。


整體而言,轉矩順序為:Locked rotor toque-> Pull up torque-> Breakdown (Pull out) toque-> Full load torque